分光計實驗教學改進之雙側像的調整

□劉植鳳

分光計實驗是《大學物理實驗》的重要實驗之一，因其儀表精密度高，操作技巧性強，而成為各高校大學物理實驗的必開項目。分光計作為大學物理實驗中典型的光學儀器，在物理實驗中既能夠培養學生的基本實驗技能，又能培養學生應用理論知識解決實際問題的能力[1]。做好這個實驗對于提升學生的動手能力，訓練嚴密的邏輯思維能力都很有裨益。然而，分光計的實驗操作需要進行光路調整，光路我們不能肉眼可見，這就導致很多學生在操作過程中沒有直觀標準可供參照，加之學生沒有儀器操作經驗，因此儀器調整往往反復操作，反復失敗，既影響了課堂教學效果，又打擊學生參與物理實驗的信心和興趣。為提升實驗效率，2020年，張慶月[2]等人提出了用智能手機協助調節載物臺水平的理論，落實了載物臺平面水平調試的直觀性；同年，付云飛[3]則以數學計算的方式，給出了望遠鏡視野能捕捉到綠“十”字時，允許載物臺偏轉的最大角度。這些方法均有助于提升載物臺調平效果。以此為基礎，針對雙側像調整難點，本文將重新設計分光計的初調步驟，提出通過仰角螺釘調節綠“十”字像至視野兩端，將單側像調至雙側像的方法。本文理論對于學生掌握分光計調節步驟難點，提升實驗速度，增強實驗興趣有一定作用。

一、分光計實驗步驟的重難點分析

按照以往的實驗教材，分光計實驗的第一步是目測粗調，需要借助眼睛粗略估算，調節望遠鏡光軸、平行光管、載物臺，使其均處于水平狀態。粗調步驟是細調的前提，也是整個光路調整難易、成敗的關鍵。然而在整個調整過程中，我們沒有直觀的量化標準作比對，無論是望遠鏡主軸、平行光管，還是載物臺的水平，均需借助視覺經驗粗略估算，這就導致不同同學粗調完成的效果差異很大。有些同學粗調完成，在望遠鏡視野中還是找不到綠色“+”字光標，或只能找到雙面反射鏡一側反射的綠色“+”字光標，其主要原因是分光計粗調沒有調好[4]。然而由于粗調過程需要借助目測水平和調節經驗，作為初次接觸設備的學生，粗調略有誤差相當普遍。如何精準調整光路，使望遠鏡目鏡視野中，能分別捕捉到雙面鏡兩側反射的綠像、進而通過“各半調解法”調至望遠鏡、平行光管主光軸和載物臺法線垂直，是本實驗操作過程的重點、難點。

二、分光計實驗難點步驟的改進

針對以往課堂出現的問題，對分光計實驗重、難點步驟進行了調整和改進。

(一)不同于以往先進行目測粗調，把望遠鏡聚焦無窮遠提到第一步。先做目鏡、物鏡的調整，調節目鏡旋鈕使視野中叉絲清晰，調節物鏡旋鈕使視野中綠“十”字像清晰。調整物鏡時手持雙面鏡貼附在望遠鏡鏡頭前端反射綠“十”字光標，用以輔助物鏡焦距調節。以往的調節方式是粗調后把反射鏡置于載物臺上觀察“十”字像，如果粗調不到位的話，視野中很可能根本看不到綠“十”字，這就需要目測粗調和物鏡焦距反復調節，增加了學生操作的混亂程度。為避免這種現象，首先調整望遠鏡聚焦無窮遠。

(二)粗調載物臺水平。載物臺是個平面，如果沒有具體參照物，平面的水平對我們來說，主觀判斷上確實存在困難，為此本文提供兩種較直觀參考方式進行調整。一是為水平儀法。將水平儀(或者學生手機上的水平儀)置于載物臺上，通過調節臺面下正交分布的三個螺釘，使水平儀中間的氣泡居中，則表明載物臺平面水平。二是上下臺面對比法。載物臺的臺面分黑色臺面和灰色臺面兩層，中間以正交分布的三顆螺釘(A、B、C)支撐分離。調整時可以觀察兩臺面之間的螺釘間距(螺紋數)，間距幾近相等，則表示黑、灰面近乎平行水平。對兩面間隔的衡量屬于線性對比，相較于平面的水平而言更易把握。

(三)尋找綠“十”字像。在基本保證載物臺水平的情況下，理論上只要調整望遠鏡主光軸角度，使主光軸垂直于鏡面，一定能在視野中出現綠“十”字。為此，只需將雙面鏡置于載物臺上(雙面鏡壓住螺釘C，望遠鏡筒與另兩個螺釘A、B連線平行[5]，同時確保雙面鏡鏡面與AB連線垂直)，循序調整望遠鏡仰角螺釘，在視野中搜尋綠“十”字像。搜尋期間，由于不能保證望遠鏡筒與AB連線嚴格平行，可適當微轉載物臺，調整雙面鏡方位協助捕捉綠“十”字。這個過程中，由于望遠鏡物距的改變，視野中綠“十”字會略顯模糊，緩調物鏡旋鈕，使綠“十”字清晰即可。粗調過程結束。

(四)單側像調成雙側像。本科學生大多第一次接觸分光計，難免在粗調過程中有這樣那樣的疏漏，其中最常見的結果就是只有單側像，即平面鏡翻轉180°之后，看不到反射的綠“十”字。從單側像調出雙側像的過程是學生操作的難點。很多同學會返回最初的粗調、望遠鏡聚焦，甚至開始雜亂無章地嘗試扭動所有旋鈕，這對實驗毫無裨益，還耽誤了大量時間。本文給出的解決方案是借助望遠鏡仰角螺釘調整法。

按照光學原理，置于載物臺上的雙面鏡與載物臺垂直，因此雙面鏡兩側對光線的反射應該是一個鏡子兩邊對稱反射的關系。如果出現了單側像，一定是無像側平面鏡反射光線偏離了目鏡接收范圍。出現這種現象，要么望遠鏡主光軸偏離水平嚴重，要么載物臺某側傾角明顯，或兩者都偏差輕微但兼而有之(后者居多)。前兩種情況很容易目測糾正，后者則需要一定技巧。現有教材在這種情況下要求學生返回粗調步驟，重新第一步操作。出現這種失誤的同學，對直線水平和平面水平的判斷本就失準，再次重復調節只能增加他們的心理緊張和挫敗感。對此，本著盡可能量化參照物的原則，現給定如下解決方案：旋轉載物臺到平面鏡可見像一側，調節望遠鏡仰角螺釘，使目鏡中的綠“十”字到達望遠鏡圓形視野的最上方，轉動載物臺180°，觀察雙面鏡另一側反射的綠“十”字能否出現，出現則成為雙面有像的情況；否則轉180°返回有像一側，繼續調整望遠鏡仰角螺釘，使頂端的像下落到視野最底端(視野中方形亮斑的左下角或右下角)，然后轉動載物臺180°，則雙面鏡另一側反射的綠“十”字像必定出現。

這種調節方式的基本原理，是先調節望遠鏡主光軸的角度，用視野去適應平面鏡反射的光線范圍，進而先保證能看到平面鏡兩面反射的雙側像。而從找到雙側像到望遠鏡主光軸和載物臺法線垂直的步驟，只需按照“各半調解法”，先反復調整A、B螺釘使雙側像等高，再調節仰角螺釘使等高像居于第一叉絲；平面鏡轉90°，調節C螺釘使像居于上叉絲即可。這些步驟在各類高校教材上都有詳盡有效的描述，這里不再贅述[5]。

三、雙側像調整步驟

圖1 雙側像調整步驟框架圖

圖1給出了分光計光路調整中，從目測粗調到觀察到平面鏡兩側反射綠“十”字像的全新流程圖。新的調整步驟從望遠鏡聚焦開始，先調整載物臺臺面水平，然后提出借助望遠鏡仰角螺釘，通過調節單側像到望遠鏡目鏡視野的兩端，進而獲得雙側像的技巧。而從雙側像到分光計實驗最終要求的望遠鏡主光軸和載物臺法線的垂直，則一如諸多大學物理實驗教材所述，使用“各半調解法”。“各半調解法”操作步驟精準詳盡，與各高校《大學物理實驗》教材所述一致，流程圖中沒有顯示。

四、學生實驗課堂反饋

經過一學期的教學實踐，對比了兩種操作步驟對分光計實驗教學的影響。按照教學設計，首先分別對八個專業的學生隨機分組，相同專業每班的學生分為兩組，按照相同理論講解和不同的實驗操作步驟分別授課，并在后期針對各班學生實驗過程，分別歸納了學生的實驗完成速度、圖像清晰度、以及學生對實驗難易程度的描述。經總結發現，新的調節方式可以有效杜絕學生因為找不到反射綠“十”字像或者找不到雙側反射像而出現低效率的返工操作，因此在完成時間上具有更大的優勢，相較于對照組大批的學生拖堂延時，實驗組絕大多數同學都能在課上及時完成實驗；因改進后的操作步驟具有更直觀的參照標準，實驗組調出的圖像效果也更清晰。與對照組相比，實驗組的同學對實驗認可度高，也沒有那么強烈的畏懼心理。

五、結語

分光計實驗由于調節步驟中光路的不可見性，儀器調整具有一定難度。本文針對實驗操作難點，即目測粗調到雙側綠“十”字像出現的調整過程，重新設計了實驗步驟，借助調整仰角螺釘將單側像調至視野兩端的技巧，給出了雙側像更直觀有效的調整方式。通過一學期的教學實踐，發現本文的方法能有效提高學生操作速度和精度，有助于提高學生課堂完成實驗的效率，激發學生對物理實驗的興趣。